Bounenni, Anis (2002) Etude expérimentale de l'effet de l'endommagement sur la permeabilité des roches. PhD thesis Structures et Matériaux - Géotechnique, ENPC p.218.

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Abstract

L'effet de la fissuration des roches sur leur perméabilité suscite un intérêt croissant par ses conséquences sur la sûreté des enfouissements de déchets radioactifs, ainsi que ses applications à certains problèmes de prospection pétrolière. Cette thèse est consacrée à l'étude expérimentale de ce phénomène sur quelques variétés de roches poreuses. La méthode adoptée consiste à examiner l'évolution de la perméabilité en fonction de l'endommagement.
Deux variétés d'argiles, dites de l'Est et du Gard, ont été étudiées pour des applications aux problèmes d'enfouissement des déchets, ainsi qu'une variété de craie provenant de la Mer du Nord pour des applications pétrolières.
Les difficultés majeures de l'étude des argilites consistent en une très faible perméabilité et en la fragilité de ces matériaux qui ne se prêtent pas à fissuration diffuse. Nous sommes cependant parvenus à montrer par exemple que la perméabilité de ces matériaux peut être multipliée par un facteur 100 pour une déformation volumique irréversible de 4%.
La craie étant plus poreuse et plus perméable ne pose pas de problème de mesure de la perméabilité. Mais la difficulté de créer un état d'endommagement diffus dans ce matériau subsiste. Cependant par des trajets de chargements complexes, nous avons pu dans certains cas faire évoluer l'endommagement et la perméabilité dans ce matériau et établir une relation phénoménologique entre ces deux grandeurs.
La création de fissure dans ces matériaux par endommagement thermique, dans un four à micro-ondes, s'est avérée une voie beaucoup plus simple et prometteuse que la voie mécanique. L'observation des échantillons endommagés d'argilites par le microscope électronique nous a permis de déterminer l'ordre de grandeur de la taille des fissures. Sur les échantillons de craie endommagés, la mesure de la vitesse acoustique a permis d'établir une relation simple entre la perméabilité et l'endommagement.

Table of content

LISTE DES FIGURES 13
LISTE DES TABLEAUX 17
RESUME 19
INTRODUCTION GENERALE 21
CHAPITRE IDEFINITION DES PROBLEMES ET BUTS 23
I. LES DECHETS RADIOACTIFS 23
I.1. Contexte 23
I.2. Stockage des déchets 24
I.3. Les déchets radioactifs à vie longue 24
I.3.1. Problèmes spécifiques aux déchets à vie longue 24
I.3.2. Principes de gestion des déchets radioactifs 24
I.3.3. Le stockage en souterrain: concept multi-barrières, problème d'étanchéité, risque de diffusion 25
II. PERMEABILITE DES ROCHES 25
II.1. Relation entre la perméabilité et la porosité 26
II.2. Relation entre la perméabilité et l'indice des vides 26
II.3. Influence de la contrainte sur la perméabilité 28
II.3.1. influence de la contrainte moyenne 28
II.3.2. Influence de la pression de pore 29
II.3.3. Influence de la contrainte déviatorique 29
II.4. Influence de la température sur la perméabilité 31
II.5. Méthodes de mesure de la perméabilité 31
II.5.1. l'expérience de Darcy 32
II.5.2. Etude bibliographique sur les mesures expérimentales de la perméabilité 33
III. ENDOMMAGEMENT DES ROCHES 37
III.1. Méthode d'identification de l'endommagement 38
III.1.1. Méthode mécanique 39
III.1.2. Méthode ultrasonique 39
III.1.3. Autres méthodes d'auscultation 39
III.2. Méthode adoptée 40
IV. BUT DE LA PRESENTE ETUDE 41
CHAPITRE IIMETHODES ET DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX 43
I. INTRODUCTION 43
II. METHODES UTILISEES POUR LA MESURE DE LA PERMEABILITE 43
II.1. Méthode de mesure de la perméabilité axiale 43
II.1.1. Méthode en régime permanent 43
II.1.2. Méthode en régime transitoire 45
II.2. Méthode de mesure de la perméabilité latérale 47
II.2.1. Méthode en régime permanent 47
II.2.2. Méthode en régime transitoire 49
II.3. Compressibilité du réservoir 50
III. CARACTERISATION DE LA VARIABLE D'ENDOMMAGEMENT 52
IV. PREPARATION DES ECHANTILLONS 54
V. PREPARATION DE L'EAU D'INJECTION 54
VI. DISPOSITIFS EXPERIMENTAUX UTILISES 55
VI.1. Machine triaxiale 55
VI.2. Les extensomètres 56
VI.3. Injecteur de volume/pression GDS 57
VII. MONTAGE DE L'ESSAI 57
CHAPITRE IIIEXPERIENCE SUR LE GRES 61
I. ETUDE DE LA PERMEABILITE DU GRES 61
I.1. Validation de l'essai à l'eau 62
I.2. Validation de l'essai au gaz 63
I.3. Constatations 63
I.4. Conclusion 63
CHAPITRE IVMESURE DE LA PERMEABILITE A DIFFERENTES ETAPES DE L'ENDOMMAGEMENT DES SILTITES DU GARD 65
I. PROPRIETES DES SILTITES DU GARD 65
I.1. Minéralogie des siltites 65
I.2. Propriétés physiques des siltites du Gard 66
I.3. Etat de saturation et aptitude au gonflement 67
II. PREPARATION DE L'ESSAI 68
II.1. Eprouvettes 68
II.2. Fluide d'injection 70
III. ESSAIS HYDRO-MECANIQUES 70
III.1. Procédure de mesure de la perméabilité 70
III.2. Procédure des essais mécaniques 71
III.3. Comportement mécanique des siltites du Gard 73
III.4. Module de Young et coefficient de Poisson 73
III.5. Endommagement et rupture du matériau 75
IV. EVOLUTION DE LA PERMEABILITE 79
IV.1. Essai pulse: courbe " pression du réservoir-temps " 79
IV.2. Paramètres poro-élastiques intervenant dans la simulation des courbes expérimentales 79
IV.3. Condition hydraulique initiale pour la mesure de la perméabilité 82
IV.4. Variation de la perméabilité axiale au cours de l'endommagement 83
IV.4.1. Perméabilité initiale 85
IV.4.2. Mesure de la perméabilité sous un confinement de 2 MPa à différents stades de l'endommagement 89
IV.4.3. Mesure de la perméabilité sous une pression de confinement élevée à différents stades de l'endommagement 90
IV.4.4. Evolution de la perméabilité sous un chargement mécanique déviatorique 92
IV.4.5. Relation entre la perméabilité axiale et la déformation 92
IV.5. Interprétation des résultats 94
IV.6. Variation de la perméabilité latérale en fonction de l'endommagement 97
IV.6.1. Perméabilité initiale 97
IV.6.2. Evolution de la perméabilité à différents stades de l'endommagement, sous faible pression de confinement 99
IV.6.3. Evolution de la perméabilité sous confinement élevé 100
V. CONCLUSION 100
CHAPITRE VMESURE DE LA PERMEABILITE A DIFFERENTS STADES D'ENDOMMAGEMENT DES ARGILITES DE L'EST 103
I. PROPRIETES DES ARGILITES DE L'EST 103
I.1. Minéralogie et texture 103
I.2. Aptitude au gonflement-retrait 104
I.3. Propriétés physiques de l'argilite de l'Est 105
II. ESSAI DE PERMEABILITE AXIALE 105
II.1. Préparation à l'essai 105
II.1.1. Eprouvettes 105
II.1.2. Fluide d'injection 106
II.2. Essais hydro-mécaniques 107
II.2.1. Procédure de mesure de la perméabilité 107
II.2.2. Procédure des essais mécaniques 108
II.2.3. Module de Young et coefficient de Poisson 109
II.2.4. Module de compressibilité 110
II.2.5. Paramètres hydro-mécaniques calculés 111
II.3. Evolution de la perméabilité 115
II.4. Nouvelle procédure mise en œuvre pour l'éprouvette E5 115
II.4.1. Module de compressibilité 117
II.4.2. Coefficient d'emmagasinement 118
II.4.3. Coefficient de Biot-Module de Biot 119
II.4.4. Evolution de la perméabilité 121
II.5. Conclusions 125
III. ESSAI DE PERMEABILITE LATERALE 125
III.1. Présentation de l'essai 125
III.2. Module de compressibilité 126
III.3. Evolution de la perméabilité 126
III.4. Endommagement et rupture 127
III.5. Remarques 128
III.6. Conclusions 128
III.7. Conclusions Générales 129
CHAPITRE VIEXPERIENCES SUR LA CRAIE 131
I. INTRODUCTION 131
II. TEXTURE ET COMPORTEMENT DES CRAIES 132
III. INFLUENCE DU DEGRE DE SATURATION EN EAU SUR LES CARACTERISTIQUES MECANIQUES 134
IV. RECEPTION ET CAROTTAGE DES EPROUVETTES 134
V. PREPARATION DU FLUIDE D'INJECTION 135
V.1. Mécanisme de l'interaction craie-fluide 135
V.1.1. Mécanisme physique, effet de capillarité 135
V.1.2. Effets chimiques 135
VI. PROPRIETES PHYSIQUES DE LA CRAIE 136
VI.1. Densité 136
VI.2. Porosité 136
VI.3. Teneur en eau de saturation 136
VII. PROPRIETES MECANIQUES DE LA CRAIE 137
VII.1. Compression simple 137
VII.2. Compression déviatorique 138
VIII. PROPRIETES HYDRAULIQUES DE LA CRAIE 139
VIII.1. Essai de perméabilité à l'eau 139
VIII.1.1. Mesure de la perméabilité initiale 139
VIII.1.2. Dispositif et procédure expérimentale mis en œuvre 139
VIII.1.3. Résultats 140
VIII.1.4. Calcul de la perméabilité 141
IX. PROPRIETES HYDRO-MECANIQUES DE LA CRAIE 143
IX.1. Etude de la perméabilité sous compression isotrope 143
IX.1.1. Déroulement de l'expérience 143
IX.1.2. Résultats 145
IX.1.3. Observations et remarques 145
IX.1.4. Conclusions 146
IX.2. Evolution de la perméabilité avec l'endommagement 147
IX.2.1. Essai drainé 147
IX.2.2. Essai non drainé 150
IX.2.3. Essai drainé avec relaxation de contrainte axiale 154
X. EFFETS DU FLUIDE D'INJECTION SUR LE COMPORTEMENT HYDRO-MECANIQUE 158
XI. CONCLUSIONS 160
CHAPITRE VII-EFFET DE L'ENDOMMAGEMENT THERMIQUE SUR LA PERMEABILITE 161
I. INTRODUCTION 161
II. EXPERIENCE SUR LES ARGILITES 163
II.1. Principe de la méthode 163
II.2. Détermination de la surpression et de la contrainte effective 164
II.3. Analyse des résultats 167
II.3.1. Mesure de la température 167
II.3.2. Variation des vitesses des ondes sonores et de la porosité 169
II.3.3. Observation au microscope 171
II.3.4. Remarques 171
II.4. conclusions 173
III. EXPÉRIENCE SUR LA CRAIE 173
III.1. Principe de l'essai 174
III.2. Résultats 174
III.3. Observations et interprétations 174
III.4. Relation endommagement-vitesse des ondes 175
III.5. Conclusions 179
CONCLUSION GENERALE 181
ANNEXES 185
ANNEXE 1 187
ANNEXE 2 189
ANNEXE 3 191
ANNEXE 4 195
ANNEXE 5 197
ANNEXE 6 199
ANNEXE 7 201
ANNEXE 8 203
ANNEXE 9 205
BIBLIOGRAPHIE 209

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